Nghiên cứu và tính toán lực cản tàu thủy

cao hiệu quả và độ chính xác trong quá trình thiết kế sơ bộ cũng như nâng cao hiệu quả khai thác làm giảm sức cản nâng cao hiệu suất khai thác đối với các đội tàu hiện nay, góp phần thúc

NGHIÊN CỨU VÀ TÍNH TOÁN LỰC CẢN TÀU THỦY

Chuyên ngành : Kỹ thuật máy và thiết bị thủy khí

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Kỹ thuật máy và thiết bị thủy khí

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS-TS: Lê Quang

Hà Nội – Năm 2011

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan rằng luận văn này là công trình nghiên cứu của riêng tôi, kết quả

nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm chỉ ra trong luận văn là thật và chưa được ai

tính toán và công bố trong bất kỳ tài liệu nào

Tôi cam đoan rằng tất cả các tham khảo và trích dẫn trong luận văn đã được chỉ

rõ nguồn gốc

Người thực hiện

Nguyễn Đức Hải

LỜI CẢM ƠN

Qua khóa học thạc sĩ tại trường Đại học Bách Khoa Hà Nội tổ chức, cùng với sự nhiệt tình truyền giảng dạy của các thầy cô giáo giảng viên của Viện Cơ khí động lực, tôi đã học được nhiều kiến thức sâu hơn về kỹ thuật thủy khí và tàu thủy Kiến thức này đã giúp cho tôi củng cố lại các kiến thức cơ bản, tiếp thu những kiến thức mới và đặc biệt có khả năng tự nghiên cứu sâu hơn nữa, đó trước hết là cơ sở vững chắc giúp tôi hoàn thành bản luận văn này và là điểm tựa để tôi phát triển cao hơn nữa

Luận văn này được làm tai trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, lời đầu tiên

tôi xin gửi lời cảm ơn tới thầy PGS.TS Lê Quang, người đã giúp đỡ tôi rất nhiều

trong quá trình nghiên cứu, định hướng và đôn đốc tôi trong suốt thời gian thực hiện luận văn này

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn sự giúp đỡ của thầy PGS.TS Trương Sỹ Cáp-

Trường cao đẳng Bách Nghệ Hải Phòng, cùng tập thể thầy cô giáo thuộc bộ môn thủy khí và tàu thủy – Đại học Bách Khoa Hà Nội và các thầy cô giáo thuộc tổ môn

lý thuyết thiết kế- khoa Đóng tàu trường Đại học Hàng Hải Việt Nam, đã cung cấp

và giới thiệu các tài liệu nghiên cứu để tôi có thể hoàn thành luận văn này

Tôi cũng xin chân thành cảm ơn ban lãnh đạo Viện khoa học tàu thủy- trung tâm nghiên cứu thử nghiệm và kiểm định tàu thủy, đã cung cấp các bản tham khảo, các phương pháp tính và các quy định giúp tôi hiểu sâu thêm về thử nghiệm sức cản tàu thủy

Cuối cùng tôi cảm ơn gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã khích lệ giúp đỡ, tạo điều kiện giúp tôi hoàn thành luận văn này

Người thực hiện

Nguyễn Đức Hải

MỤC LỤC

TRANG PHỤ BÌA 1

LỜI CAM ĐOAN 2

LỜI CẢM ƠN 3

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 6

DANH MỤC CÁC BẢNG 8

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 8

MỞ ĐẦU 10

-1 Lý do chọn đề tài: - 10 -

2 Mục đích của đề tài: - 12 -

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài - 12 -

5 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài - 13 -

CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 14

-1.1 Sức cản vỏ tàu - 14 -

1.1.1 Khái niệm chung về sức cản - 14 -

1.1.2 Các thành phần sức cản - 22 -

1.1.2.1 Lực cản nhớt - 22 -

1.1.2.2 Sức cản sinh sóng - 23 -

1.2 Các yếu tố ảnh hưởng tới sức cản vỏ tàu - 25 -

1.2.1 Ảnh hưởng của các kích thước cơ bản - 25 -

1.2.1.1 Ảnh hưởng của chiều dài L tới sức cản - 25 -

1.2.1.2 Ảnh hưởng của tỉ lệ L/B đến hệ số sức cản tàu - 25 -

1.2.1.3 Ảnh hưởng tỷ lệ B/T đối với sức cản - 25 -

1.2.2 Ảnh hưởng của hệ số hình dáng đối với sức cản - 26 -

1.2.2.1 Ảnh hưởng của hệ số lăng trụ ϕ đối với sức cản - 26 -

1.2.2.2 Ảnh hưởng của hệ số béo thể tích đối với sức cản - 26 -

1.2.2.3 Ảnh hưởng của đường hình dáng tới sức cản - 26 -

1.3 Lý thuyết gần đúng tính toán sức cản - 27 -

1.4 Phương pháp xác định sức cản nhờ thử nghiệm mô hình tàu - 31 -

Chương II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ ỨNG DỤNG CỦA PHẦN MỀM FLUEN- 34

-2.1 Khái niệm về phương pháp CFD - 34 -

2.2 Ứng dụng của phương pháp CFD - 34 -

2.3 Giới thiệu về phần mềm Fluent - 35 -

2.3.1 Cấu trúc của bộ phần mềm Fluent - 36 -

2.3.2 Khả năng của phần mềm - 37 -

2.3.3 Các bước giải một bài toán trên Fluent - 38 -

2.3.4 Thiết lập một bài toán trên Fluent - 40 -

2.3.4.1 Tổng quan - 40 -

2.3.4.2 Phương pháp giải - 40 -

2.3.4.3 Các mô hình rối - 41 -

2.5 Phương pháp tiếp cận và cách tính toán của phần mềm fluent - 49 -

CHƯƠNG III: MÔ HÌNH HÓA TÍNH TOÁN SỨC CẢN 51

-3.1 Chia lưới thân tàu và mô hình hóa điều kiện biên - 51 -

3.2 Kết quả tính toán đối với tàu Sao Đỏ - 54 -

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 74

-1 Kết luận : - 74 -

2 Kiến nghị: - 74 -

TÀI LIỆU THAM KHẢO 76

PHỤ LỤC: 77

MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP VÀ CÔNG THỨC TÍNH SỨC CẢN 77

-DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

- o1x1y1z1: Hệ trục tọa độ di động gắn liền với tàu

- oxyz: Hệ trục tọa độ khảo sát của tàu

: Lực thủy động tác động lên vỏ tàu

- U: Tốc độ tịnh tiến của tàu

r ur : Công thức Green cho hàm thế vận tốc

- ζuurT( ) ( , , )t = ζ ζ ζ1 2 3 : Mô tả chuyển động tịnh tiến của thân tàu

- ζuurR( ) (t = ζ ζ ζ4, 5 6): Mô tả chuyển động xoay của thân tàu

- Gk: Hằng số thể hiện sự phụ thuộc của sự hình thành năng lượng rối động học vào

sự biến thiên của vận tốc trung bình

DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 4.1 Hình dáng và cách thể hiện sức cản theo hệ thống sêri……… Error! Bookmark not defined.

Bảng 4.2 giới hạn của phương pháp holtrop-mennen……… Error! Bookmark not defined.

Bảng 4.3 Hệ số ảnh hưởng của tuyến hình………

Error! Bookmark not defined.

Bảng 4.4 Hệ số ảnh hưởng do phần nhô………

Error! Bookmark not defined.

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1.1 Hệ tọa độ khảo sát chuyển động của tàu

Error! Bookmark not defined.

Hình 1.1.2: Hướng gió và hệ số lực cản không khí của tàu

Error! Bookmark not defined.

Hình 1.1.3: Sơ đồ luồng chảy bao quanh tàu………

Error! Bookmark not defined.

Hình 1.1.4 Sức cản sinh sóng………

Error! Bookmark not defined.

Hình 1.3.1: Hệ tọa độ gắn liền với tàu

………Error! Bookmark not defined.

Hình 3.1.1: Giới hạn miền không gian tính toán của tàu………

Error! Bookmark not defined.

Hình 3.1.2: Tuyến hình tàu Sao Đỏ………

Error! Bookmark not defined.

Hình 3.1.3: Hình ảnh 3D tàu Sao Đỏ………

Error! Bookmark not defined.

Hình 3.1.4: Chia lưới bề mặt vỏ tàu Sao đỏ………

Error! Bookmark not defined

Chia lưới đối với tàu đa năng ứng phó sự cố tràn dầu………

Error! Bookmark not defined.

Hình 3.2.3 Phân bố hệ số áp suất tác dụng lên vỏ tàu………

Error! Bookmark not defined.

Hình 3.2.4 Phân bố áp suất động tác dụng lên vỏ tàu………

Error! Bookmark not defined.

Error! Bookmark not defined.

Hình 3.2.8 Hình ảnh áp suất tổng tác dụng lên vỏ tàu ………Error! Bookmark not defined.

Hình 3.2.9 Biểu đồ hội tụ của hệ số lực cản Cd với số vòng lặp 90 vòng

…….Error! Bookmark not defined.

Hình 3.2.10 Hình ảnh đường dòng tại khu vực mũi tàu

………Error! Bookmark not defined.

Hình 3.2.11 Hình ảnh đường dòng tại khu vực vùng thân và đuôi tàu………

Error! Bookmark not defined.

Hình 3.2.12 Hình ảnh dòng chảy bao quanh thân tàu của mô hình tàu thử nghiệm tại bể thử quốc gia………

Error! Bookmark not defined.

Hình 3.2.13 Hình ảnh sóng do tàu sinh khi mô phỏng tàu bằng phần mêm với V= 1,8m/s

……….Error! Bookmark not defined.

Hình 3.2.14 Hình ảnh sóng do tàu sinh ra khi kéo thử tàu tại bể thử với tốc độ 1,8m/s………

Error! Bookmark not defined.

xã hội vùng biển, hải đảo phải gắn kết với yêu cầu bảo vệ đất nước trong xu thế hội nhập kinh tế với khu vực và thế giới

Từ các quan điểm chỉ đạo trên, Hội nghị lần thứ Tư Ban Chấp hành Trung ương Đảng khóa X đã thông qua Nghị quyết về Chiến lược biển Việt Nam đến năm

2020 (Nghị quyết 09-NQ/TW ngày 9-2-2007) trong đó nhấn mạnh mục tiêu tổng

quát " đến năm 2020 phấn đấu đưa nước ta trở thành quốc gia mạnh về biển, làm

giàu từ biển " Ngày 15/5/2006 Thủ tướng Chính phủ đã ký quyết định số

103/QĐ-TTg về việc hình thành Tập đoàn kinh tế Vinashin trong đó có ghi rõ " Vinashin là

tập đoàn kinh tế trong đó sở hữu nhà nước là chi phối, bao gồm các doanh nghiệp 100% vốn nhà nước có trình độ công nghệ, quản lý hiện đại và chuyên môn hóa cao; kinh doanh đa ngành, trong đó ngành công nghiệp đóng mới, sửa chữa tầu thủy và vận tải biển là ngành kinh doanh chính; gắn kết chặt chẽ giữa sản xuất , kinh doanh với khoa học, công nghệ, nghiên cứu triển khai, đào tạo; làm nòng cốt

để ngành công nghiệp tầu thuỷ Việt Nam phát triển nhanh và bền vững, cạnh tranh

và hội nhập kinh tế quốc tế có hiệu quả …" Đây thực sự là một bước đột phá về

mặt chủ trương, chính sách, là một điều kiện vô cùng thuận lợi khẳng định Vinashin phải trở thành nòng cốt cho ngành công nghiệp đóng tàu phát triển nhằm đạt mục tiêu trở thành cường quốc thứ 4 thế giới về đóng tàu vào năm 2015

Là ngành công nghiệp mới phát triển nhưng với sự chỉ đạo sát sao của Đảng, Chính phủ, Nhà nước cũng như Bộ Giao thông vận tải, Tổng công ty CNTT Việt Nam Vinashin (hiện nay là Tập đoàn kinh tế Vinashin) đã tiến những bước dài và quan trọng, duy trì mức tăng trưởng bình quân 30-35%/ năm Năm năm đầu thế kỷ XXI, Viện KHCN Tàu thủy Việt Nam đã có bước tiến nhảy vọt với việc thiết kế ra những con tàu lớn đạt kỹ thuật cao như tàu hàng 54.000 DWT, kho nổi 104.000 DWT, tàu chở dầu siêu trong 105.000 DWT, và nhiều tàu khác, tàu nghiên cứu biển…với chất lượng cao đã được các tổ chức Đăng kiểm quốc tế như tổ chức Đăng kiểm Pháp BV, Đăng kiểm Nhật NK…phê duyệt [14]

Với sự phát triển không ngừng của ngành kinh tế vận tải sông biển, thì việc nghiên cứu thủy động lực học tàu thủy và cải tiến các loại thiết bị đẩy tàu đóng một vai trò hết sức quan trọng Bởi lẽ chúng có liên quan trực tiếp đến các chỉ tiêu kinh

tế và khai thác của mỗi con tàu cụ thể Hiện nay người ta thường sử dụng các mô hình tàu để xác định các hệ số thủy động lực học cho tàu thực sử dụng các phương pháp thí nghiệm bằng bể kéo hoặc bể thử nghiệm mô hình

Để xác định công suất máy phù hợp theo yêu cầu của tốc độ tàu, chúng ta phải biết sức cản khi tàu chạy Nói chung sức cản của nước là thành phần sức cản chủ yếu Sức cản này phụ thuộc vào trị số hình dáng và tốc độ của tàu

Mặc dù đã bỏ nhiều công nghiên cứu, nhưng đến nay vấn đề sức cản của nước vẫn chưa giải thích một cách rõ ràng và chặt chẽ, vì quá trình diễn biến của hiện tượng quá phức tạp Đã có những công thức kinh nghiệm dựa trên hàng loạt lần thử

và khảo sát cho phép xác định sức cản này nhưng độ chính xác chưa cao Vì vậy hiện nay, khi xác định sức cản thường có sự so sánh giữa những tàu đã đóng với những mô hình thân tàu thí nghiệm được kéo trong các bể thử

Trên cơ sở những thí nghiệm này, không chỉ xác định sức cản thân tàu với độ chính xác lớn hơn mà còn có thể hiệu chỉnh hình dáng với cách nào đó để sức cản này nhỏ nhất

Xuất phát từ những lý do khách quan và chủ quan nêu trên, với mong muốn đóng góp một phần trí tuệ của mình vào việc nghiên cứu, đưa ra các giải pháp nhằm nâng

cao hiệu quả và độ chính xác trong quá trình thiết kế sơ bộ cũng như nâng cao hiệu quả khai thác làm giảm sức cản nâng cao hiệu suất khai thác đối với các đội tàu hiện nay, góp phần thúc đẩy sự phát triển của ngành CNTT, tác giả đã mạnh dạn lựa chọn đề tài

"Nghiên cứu và tính toán lực cản tàu thủy "

2 Mục đích của đề tài:

Trên cơ sở phân tích những hạn chế của vấn đề nghiên cứu sức cản tàu thủy ở Việt Nam hiện nay và những ưu điểm trong quá trình thừa kế những công thức kinh nghiệm trong các phương pháp tính toán sức cản, cũng như ứng dụng các phần mềm tiên tiến vào tính toán thiết kế của những nước có nền công nghệp đóng tàu phát triển trên thế giới Tác giả đưa ra phương pháp nghiên cứu tính toán đánh giá sức cản của tàu khi chuyển động để các trung tâm thiết kế nghiên cứu ứng dụng nhằm rút ngắn thời gian tính toán sức cản và tính chọn công suất máy cho tàu khi thiết kế, đồng thời là tài liệu nghiên, cứu giảng dạy trong nhà trường giúp cho sinh viên cơ sở tính toán và nghiên cứu sức cản tàu thủy

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài

- Tiến hành phân tích một cách chi tiết, chính xác hóa các hệ số sức cản và giải bài toán xác định động lực học của nước tác dụng lên bề mặt vỏ tàu khi tàu di chuyển

Là giá trị trung bình của thành phần lực dọc của các lực thủy động lực tích phân theo diện tích mặt ướt của tàu

- Đưa ra phương pháp tính chuyển từ tàu thực sang tàu mô hình phục vụ cho việc nghiêm cứu kéo thử tàu tại bể thử tàu và thử nghiệm chế tạo tàu mô hình

- Tính toán và so sánh kết quả tính toán với một số kết quả tính bằng phương pháp truyền thống và với các số liệu thí nghiệm thu được thông qua thực nghiệm kéo tàu tại bể thử và chạy tàu mô hình

4 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết

Trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết lực cản tàu thủy đưa ra phương pháp tính toán và nghiên cứu lực cản đối với tàu khi chạy Tính đúng đắn của quá trình được kiểm chứng qua thực nghiệm và ứng dụng các phần mềm để tính toán sức cản khi tàu chạy

- Nghiên cứu thực nghiệm

Nghiên cứu thực nghiệm đo tốc độ tàu khi di chuyển đối với tàu mô hình Phân tích số liệu thực nghiệm của một số tàu đã tiến hành kéo thử tại bể thử tàu quốc gia- Viện khoa học tàu thủy Việt Nam

5 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài

Đề ra phương pháp mới xác định lực cản của tàu và rút ngắn thời gian tính toán sức cản

Bổ sung vào tài liệu cho việc nghiên cứu lực cản tàu thủy đối với sinh viên ngành

kỹ thuật tàu thủy và công trình nổi

Sử dụng kết quả nghiên cứu cho việc tính toán thiết kế tàu, thử nghiệm dòng theo vào áp lực tác dụng lên vỏ tàu trong quá trình tàu hoạt động và áp dụng vào tính chuyển và kéo thử tàu tại các bể thử nghiệm tàu thủy

CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Sức cản vỏ tàu

1.1.1 Khái niệm chung về sức cản

Khi tàu chuyển động trong nước, thân tàu tiếp xúc với môi trường bao quanh nó nghĩa là thân tàu chịu tác dụng của phản lực nước và không khí Mặt ướt của vỏ tàu tiếp xúc với mặt nước, phần trên mớn nước tiếp xúc với không khí và bề mặt này chịu tác dụng của các lực ở môi trường gây ra Các lực dòng trái chiều với chuyển động của thân tàu gọi là lực cản tàu thủy [2]

Do tác dụng tương hỗ giữa tàu và chất lỏng, nên dọc theo mặt uớt Ω hệ lực mặt xuất hiện và phân bố liên tục Tại mỗi điểm trên Ω véctơ cường độ của lực mặt

là Pn

Hình 1.1.1 Hệ tọa độ khảo sát chuyển động của tàu Hình chiếu của Pn lên phương pháp tuyến ncủa phân tố diện tích dΩ là áp lực thuỷ độngPur

- Trục x1 hướng về phía mũi tàu

- Trục y1 hướng về phía mạn phải

- Trục z1 hướng lên trên

Còn gốc toạ độ thay đổi vị trí trong không gian

Ngoài ra người ta còn sử dụng hệ toạ độ xyz, trong đó:

- Trục x hướng theo vận tốc v của tàu

- Trục y hướng về phía mạn phải

- Trục z hướng lên trên

Hai hệ toạ độ x1y1z1 và xyz sẽ trùng nhau khi tàu không chuyển động Còn khi tàu chuyển động hai trục x1 và x tạo với nhau một góc ψ - gọi là góc chúi hành trình

Trong hệ toạ độ trên ta có:

τ+ cos( ,x)d)

x,pcos(

Dựa vào các hiện tượng vật lý thì nguyên nhân xuất hiện thành phần lực cản

áp lực có thể giải thích như sau [3]:

Theo cơ học chất lỏng thì vật thể có kích thước hữu hạn chuyển động tịnh tiến với vận tốc không đổi trên mặt tự do vô hạn của chất lỏng không nhớt thì vật thể đó không chịu lực cản chuyển động (Theo định lý Ơle)

Vật thể khi chuyển động chỉ xuất hiện lực cản chỉ khi trường vận tốc ở phía trước và phía sau vật thể là khác nhau

Xét vật thể chuyển động ở gần hoặc ở mặt tự do của chất lỏng dưới tác dụng của trọng lực thì vật thể sẽ tạo ra trên mặt tự do của chất lỏng một hệ thống sóng do các phần tử chất lỏng tách ra từ vị trí cân bằng dẫn tới sự thay đổi của trường vận tốc và áp suất dọc theo bề mặt vật thể Hình chiếu của áp lực sóng lên phương chuyển động gọi là lực cản sóng lên phương chuyển động gọi là lực cản sóng RW Công của vật thể sinh ra để thắng lực cản sóng được tiêu tốn cho sự tạo thành năng lượng sóng

Các tàu béo hoặc tàu chạy không tải người ta thấy các sóng ở phần nước mũi tàu bị san gần phẳng kéo theo sự tạo thành các bọt Quá trình đó đã làm tăng thêm lực cản sóng và thành phần lực cản đó gọi là lực cản phá sóng mũi RWB

Khi vật thể chuyển động ta thấy rõ nhất ở phần mũi tàu có các tia nước hắt ra

từ hai bên mạn Các tia nước đó tạo thành phản lực, mà hình chiếu của phản lực đó lên phương chuyển động gọi là lực cản toé nước RS Loại lực cản này đặc trưng cho các tàu chạy nhanh

Theo lý thuyết cánh nếu vật thể có dạng hình cánh khi chuyển động có lưu số vận tốc thì sẽ phát sinh lực nâng trên cánh Sự làm việc của cánh có thể thay bằng một hệ thống xoáy, hệ thống này sẽ tạo ra các xoáy tự do sau cánh Hệ thống xoáy gây ra vận tốc thẳng đứng làm lệch đường dòng nên áp lực thuỷ động xuất hiện trên cánh, mà hình chiếu lên phương chuyển động gọi là lực cản cảm ứng Ri Công để thắng lực cảm ứng được tiêu tốn cho sự tạo thành năng lượng xoáy Lực cản cảm ứng xuất hiện trên các cánh của tàu ngầm và các phần nhô thân tàu

Nếu vật thể chuyển động với vận tốc lớn thì trên bề mặt vật xuất hiện sự xâm thực (Sự xâm thực là hiện tượng hình thành và phát triển trên bề mặt vật thể các bọt chứa đầy không khí hoặc hơi nước bão hoà) Sự xâm thực đã làm cho trường vận

tốc và áp suất dọc theo bề mặt vật thể thay đổi làm xuất hiện lực cản xâm thực Rc Công để thắng lực cản xâm thực được tiêu tốn cho sự duy trì các bọt khí hoặc hơi, nghĩa là cho sự thay đổi trường vận tốc so với trường hợp chảy vòng liên tục

Quá trình xuất hiện các thành phần lực cản RW, RWB, RS, Ri, Rc ít phụ thuộc vào độ nhớt của chất lỏng, do vậy phương pháp tính toán lý thuyết có thể dựa vào

mô hình chất lỏng không nhớt

Do ảnh hưởng của độ nhớt quy luật phân bố áp suất trên bề mặt vật thể thay đổi so với trường hợp chảy vòng trong chất lỏng không nhớt Độ nhớt làm hình thành lớp biên dọc theo mặt vật thể và tạo nên dòng theo Dòng theo là những vết thuỷ động ở sau vật thể làm cấu trúc của trường vận tốc ở phía trước và sau vật thể trong chất lỏng nhớt là khác nhau Dòng theo ở sau vật thể là vùng chảy rối tạo xoáy làm giảm áp suất ở vùng đuôi vật thể so với chất lỏng không nhớt và phát sinh

áp suất tổng hợp gọi là lực cản áp suất nhớt hoặc lực cản hình dáng RVP

Vậy lực cản do ứng suất tiếp τo gây ra gọi là lực cản ma sát RF Công để thắng lực cản ma sát được tiêu tốn cho sự tạo thành lớp biên và dòng theo

Lực cản hình dáng và ma sát xuất hiện do độ nhớt của chất lỏng và chúng tạo thành lực cản nhớt RV = RVP + RF

Từ các điều kể trên thì lực cản của nước đối với chuyển động của tàu có thể viết dưới dạng tổng:

Rx = RF + RP = RF + RVP + RW + RWB + RS + Ri + Rc (1.1.5)Các thành phần lực cản trong công thức (1.1.5) không phải lúc nào cũng xuất hiện đồng thời, có thể có trường hợp vài thành phần không có

Cơ sở vật lý để phân chia lực cản ra các thành phần là điều rất cần thiết để xây dựng các phương pháp lý thuyết, thực nghiệm và những nguyên tắc mô hình hoá, đối với công nghệ số hóa CFD ngày nay ở một số nước đông âu và các nước có nền công nghiệp đóng tàu phát triển các nhà khoa học đã và đang sử dụng các phần mềm chuyên dụng để dự báo gần đúng các thành phần sức cản xuất hiện khi tàu chuyển động, điều đó giảm rất nhiều thời gian, chi phí và công sức khi nghiên cứu

về sức cản chuyển động của tàu thủy, đây là một vấn đề rất khó và vẫn còn mới ở nước ta

Do khối lượng riêng của nước và không khí là khác nhau, do vậy tổng lực cản được chia thành lực cản của nước và lực cản không khí Rkk

Vậy có hai nguyên nhân cơ bản để tạo nên lực cản đó là ảnh hưởng của độ nhớt của chất lỏng và sự tạo sóng:

Trong đó: RV – Lực cản nhớt

Rw - Lực cản sóng

Rkk – Lực cản không khí

Sức cản nước có vai trò, ý nghĩa rất quan trọng và nó ảnh hưởng rất lớn đến

tốc độ cũng như tính năng khác của tàu khi chuyển động

Trong quá trình tàu chuyển động thì lực cản của nước chiếm phần lớn trong

thành phần sức cản của tàu, theo khảo sát lực cản của không khí đối với tàu thực

người thấy rằng lực cản không khí chiếm một phần nhỏ so với sức cản toàn tàu

Lực cản do không khí gây nên là lực cản ma sát và lực cản hình dáng, đây là

sự vận động tương đối giữa tàu và không khí đứng yên, cũng như đối với gió như vậy nó phụ thuộc vào lực gió còn phụ thuộc vào hình dáng của thượng tầng tàu, góc kẹp giữa hướng tàu và hướng gió

- VR : Vận tốc tương đối giữa tàu và không khí

- AT: Diện tích hình hứng gió của tàu.s

- CA : Hệ số lực cản không khí

Vận tốc tương đối giữa tàu và không khí (gió) VR có thể tính theo

Hệ số lực cản do không khí phụ thuộc vào góc kẹp αR có thể lấy trên

Hình 1.1.2: Hướng gió và hệ số lực cản không khí của tàu

Trường hợp hoàn toàn ngược gió (αR = 1800) CA có thể lấy các trị số như sau :

- Tàu dầu : CA = 0.8÷ 1.3

- Tàu hàng rời : CA = 0.7÷ 1.2

- Tàu chạy nhanh : CA = 0.4÷ 0.6

- Đối với tình trạng lặng gió, CA tính theo công thức:

Hình 1.1.3: Sơ đồ luồng chảy bao quanh tàu

Để tính toán lực thuỷ động ta sử dụng định luật động lượng trong môn cơ chất lỏng:

n.dS P dSv

.v

Trong đó:

S - mặt kiểm soát kín và không di động

n - phương pháp tuyến ngoài với mặt đó

v và P - tương ứng là véc tơ vận tốc và ứng suất của lực mặt trong chất lỏng nnhớt, P có hướng tuỳ ý so mặt S, n P bao gồm áp suất nhớt, áp suất rồi, ứng suất npháp, ứng suất tiếp

Tại mặt vuông góc với trục x ta có:

xz xy

xx x

n P iP j k

Trong đó:

2 x

x

x

v2P

∂

∂µ+

−

'v'vx

vy

v

y x y

∂

∂µ

- Mặt S2 đặt tuỳ ý sau tàu cắt vết thuỷ động

- Mặt nằm ngang S3 và các mặt thẳng đứng S4, S5 song song với mặt phẳng đối xứng của tàu và cách xa nó để vận tốc phát sinh là nhỏ nhằm bỏ qua ảnh hưởng của độ nhớt và sự tạo sóng

Để tính lực cản ta chiếu R lên trục x, ta được

dS.PdS.PdS.v.vdS

.vdS.vR

2 1

5 4 3 2

xx S

xx S

S S

n S

2 x S

2 1

5 4

x S

S S S

y

z

S S

dyz2

1zdzdydS

.zdS.z

B

2 1

∂

∂µ

−ρ++

−ρ

−

2

gdS'vx

v2gzPdSvv

v

B S

2 x x S

2 x x x

2 2

(1.1.16)Nếu tàu chuyển động trong kênh hoặc nước nông thì vế phải của (1.1.15) cần

kể thêm ứng suất tiếp theo chu vi kên hoặc đáy sông

Trong trường hợp chất lỏng không nhớt, dòng chảy không xoáy, lúc đó dòng chảy tại tiết diện tuỳ ý và tại S1, ứng với điểm trên mặt tự do sẽ có:

z 1

2 y

2

x v v 0,5 vv

v5,0gz

Trong đó:

v1x, v1y, v1z là những vận tốc phát sinh Khử P+ρgz và xét ứng suất nhớt, ứng suất rối, lúc đó biểu thức (1.1.16) sẽ được viết thành:

∫

∞

−ρ

−+

+

−ρ

−

= 0,5 ( v v v )dS 0,5 g z dy

B S

2 z 1

2 y

2 x x

Lực cản ma sát RF phụ thuộc vào sự phân bố của ứng suất tiếp τo trên thân tàu Lực cản này chịu ảnh hưởng của độ cong dọc và cong ngang thân tàu Tất cả các hiện tượng đó làm biến đổi cục bộ ứng suất tiếp so với quy luật tương ứng của tấm phẳng khi số Re bằng nhau và được tính theo công thức

ν

=Trong đó: V – Vận tốc tàu

L – Chiều dài tàu

ν - Hệ số nhớt của chất lỏng

Lực cản hình dáng RVP sinh ra bởi ảnh hưởng của lớp biên đối với quy luật phân bố áp suất trên thân tàu, nó phụ thuộc vào các dạng tách lớp biên, mà hiện tượng này lại ảnh hưởng bởi hình dáng thân tàu

Hiện tượng tách lớp biên đã làm tăng đáng kể lực cản nhớt, sự xuất hiện các xoáy dọc phần mũi đi đôi với việc tăng thành phần lực cản cảm ứng Ri của lực cản nhớt lên khoảng Ri ≈ (0,02 ÷ 0,03)RV và có thể kết hợp với các xoáy dọc ở đuôi tàu làm lực cản nhớt có thể tăng lên tới (0,03 ÷ 0,08)RV Trong khu vực mũi về sườn giữa tàu, do các phần tử chất lỏng chuyển động theo chiều tăng của áp lực nên tốc

độ của áp lực tăng dần và đạt giá trị lớn nhất tại sườn giữa tàu Còn khu vực sườn giữa tàu về phía đuôi tàu, các phần tử chất lỏng lại chuyển động theo chiều giảm của áp lực nên tốc độ của các phần tử giảm dần Riêng lớp chất lỏng chảy sát vỏ tàu, do ma sát với bề mặt vỏ tàu, nên năng lượng của nó, ngoài việc khắc phục sự tăng của áp lực còn phải thắng được sự ma sát nên bị giảm nhanh và đến một lúc nào đó, dưới tác dụng của sự tăng áp lực trong dòng chất lỏng sẽ làm xuất hiện một dòng chất lỏng chảy ngược sát bề mặt vỏ tàu, tạo ra vùng xoáy sau đuôi tàu, làm giảm áp lực phía sau đuôi tàu Đối với những tàu có độ dãn dài lớn (L/B > 6) lớp biên sẽ tách khỏi bề mặt tàu rất êm nên thường ít gây ra sự tạo xoáy, do đó sức cản hình dáng như thế đối với tàu là rất nhỏ Vì vậy có thể giảm sức cản hình dáng bằng cách tăng tỉ số L/B, chọn hình dáng tốt, lựa chọn chiều dài và độ nhọn vòm đuôi tàu một cách hợp lý

1.1.2.2 Sức cản sinh sóng

Sức cản sinh sóng cũng xuất hiện do sự phân bố lại áp lực và áp lực chất lỏng chảy dọc bề mặt vỏ tàu, gây ra các hệ thống sóng xung quanh tàu khi chuyển động

Hình 1.1.4 Sức cản sinh sóng

Ở khu vực mũi và đuôi, do áp lực chất lỏng lớn hơn áp lực khí quyển nên mặt nước bị đẩy nhô lên, ngược lại ở giữa tàu mặt nước hạ xuống hình thành các sóng tàu Do khu vực mũi và đuôi tàu là nơi có độ cong dọc lớn nên là các tâm hình thành sóng đầu tiên vì vậy sóng tàu gồm sóng mũi, sóng đuôi và trong mỗi hệ thống sóng lại chia thành hai nhóm

+ Sóng lan tỏa: Gồm các sóng có tuyến chạy ngắn, chạy song song kế tiếp nhau và nằm đối xứng trên đường thẳng và tạo với mặt phẳng dọc giữa tàu góc β = 18÷200 Mặt nước của sóng lan tỏa tạo với mặt phẳng dọc tàu một góc γ = 2β

=36÷400 Khi chuyển động, sóng lan tỏa mũi và đuôi lan truyền độc lập nhau và cường độ sóng lan tỏa phĩa mũi lớn hơn và càng cách xa vị trí xuất phát thì chiều cao sóng lan tỏa sẽ giảm dần

+ Sóng ngang: Gồm các sóng chạy vuông góc và phân bố trong phạm vi góc b sóng lan tỏa Càng xa vị trí xuất phát, chiều dài sóng ngang tăng, chiều cao giảm nên năng lượng không đổi

Khi tàu chạy ở tốc độ thấp thường chỉ thấy sóng lan tỏa và do sóng lan tỏa là sóng ngắn, năng lượng nhỏ nên sức cản sinh sóng nhỏ Nhưng khi tốc độ tàu tăng, sóng ngang là chủ yếu do chiều dài sóng tỉ lệ bình phương vận tốc tàu, còn sóng lan tỏa chở nên mờ nhạt hơn Do hệ thống sóng ngang có năng lượng lớn nên sức cản sinh sóng trong trường hợp này lớn Nếu hệ thống sóng ngang mũi chồng nên hệ thống sóng ngang đuôi sẽ làm tăng sức cản sóng Để giảm sức cản sóng cần chọn

tốc độ và chiều dài tàu hợp lý để tránh cộng hưởng sóng, giảm góc vào nước mũi tàu và phân bố lại thể tích chiếm nước dọc theo chiều dài tàu bằng cách di chuyển sườn giữa về phía đuôi để di chuyển tâm nổi về phía đuôi

1.2 Các yếu tố ảnh hưởng tới sức cản vỏ tàu

1.2.1 Ảnh hưởng của các kích thước cơ bản

1.2.1.1 Ảnh hưởng của chiều dài L tới sức cản

Thông thường trong phạm vi nhất định của chiều dài tối ưu, sức cản không thay đổi lớn Tuy sự ảnh hưởng của chiều dài tới sức cản là rất lớn, khi tăng chiều dài ta thấy diện tích mặt ướt phụ thuộc vao ba yếu tố là chiều dài L, chiều rộng tàu

B, chiều chìm trung bình T Khi tăng L, trong khi giữ nguyên B và T dẫn đến diện tích mặt ướt tăng làm cho sức cản ma sát tăng Khi tăng chiều dài tàu sức cản dư giảm đi, song sức cản ma sát lại tăng lên Khi dung hòa được hai yếu tố này đảm bảo sức cản dư giảm đi mật lượng lớn hơn lượng sức cản ma sát tăng lên khi đó sức cản toàn tàu sẽ giảm

1.2.1.2 Ảnh hưởng của tỉ lệ L/B đến hệ số sức cản tàu

Ảnh hưởng của tỷ lệ L/B đến hệ số sức cản dư Do đại lượng D và B đã được người thiết kế xác định ngay trong giai đoạn đầu thiết kế khi xét đến tính an toàn hang hải trong điều kiện thời tiết cho trước Trong trường hợp người thiết kế muốn giữ nguyên tỷ số L/B theo các kết quả khảo sát thực nghiệm thì khi tăng hoặc giảm

L kéo theo sẽ tăng hoặc giảm B, điều này sẽ làm thay đổi ổn định của tàu thiết kế

1.2.1.3 Ảnh hưởng tỷ lệ B/T đối với sức cản

Khi mặt cắt ngang giữa tàu không thay đổi, B/T tăng tức là chiều rộng tàu tăng làm cho thể tích lượng chiếm nước của thân tàu tập trung ở giữa mặt đường nước, dẫn đến sức cản sóng tăng lên Trong khi đó để đảm bảo tính ổn định cho tàu thì người thiết kế có xu hướng giữ nguyên tỷ lệ B/T, do đó khi tăng B dẫn tới tăng T hoặc ngược lại sẽ làm thay đổi hình dáng tàu ảnh hưởng rất lớn tới sức cản

1.2.2 Ảnh hưởng của hệ số hình dáng đối với sức cản

1.2.2.1 Ảnh hưởng của hệ số lăng trụ ϕ đối với sức cản

Hệ số lăng trụ ϕ biểu thị sự phân bổ thể tích chiếm nước của tàu theo chiều dài thân tàu Với thể tích lượng chiếm nước và chiều dài tàu không đổi, hệ số ϕ nhỏ có nghĩa là diện tích mặt cắt ngang tăng nên thể tích chiếm nước tập trung ở giữa tàu, hai đầu mũi lái tương đối nhọn Hệ số ϕ lớn có nghĩa là thể tích chiếm nước phân

bổ đồng đều dọc thân tàu và hai đầu mũi và lài tương đối bầu Hệ số ϕ thay đổi ảnh hưởng đến ma sát rất nhỏ nhưng ảnh hưởng đến sức cản dư rât lớn

1.2.2.2 Ảnh hưởng của hệ số béo thể tích đối với sức cản

Hệ số béo thể tích δ là tỷ số giữa thể tích chiếm nước V và thể tích hình hộp chữ nhật ngoại tiếp thể tích V

Ảnh hưởng của hệ số béo thể tích đối với sức cản ma sát tương đối nhỏ, nhưng đối với sức cản dư rất lớn, nhất là đối với tàu chạy nhanh số Froude khá lớn (Fr ≥ 0,35) thì ảnh hưởng càng rõ rệt

1.2.2.3 Ảnh hưởng của đường hình dáng tới sức cản

- Ảnh hưởng của hình dáng mặt căt ngang tới sức cản

Hình dáng mặt cắt ngang ảnh hưởng rất lớn tới sức cản, nhất là đối với mặt cắt ngang gần mũi và lái không những có ảnh hưởng tới sức cản mà còn ảnh hưởng tới tính chịu song và lực đẩy tàu

Hình dáng mặt cắt ngang liên quan đến mặt đường nước có bốn loại hình dáng mặt cắt ngang là hình chữ U nửa U, hình chữ V, nửa V Sự thay đổi hình dáng mặt cắt ngang ít ảnh hưởng đến sức cản ma sát nhưng có ảnh hưởng lớn tới sức cản dư Đối với tàu tốc độ thấp, do diện tích mặt ướt của mặt cắt ngang chữ V nhỏ hơn

so với chữ U nên dùng mặt cắt ngang chữ V để giảm sức cản ma sát, giảm dòng xoáy ở hông tàu, có lợi cho sức cản hơn Mặt cắt ngang chữ V thường dùng đối với tàu hai chân vịt Mặt cắt ngang chữ V làm giảm biên độ lắc dọc, đối với tàu trung tốc thường dùng mặt cắt ngang chữ U để giảm sức cản sóng Ngoài ra hình dáng đường cong diện tích mặt cắt ngang cũng ảnh hưởng đến sức cản một cách đáng kể Hình dáng đường cong diện tích mặt cắt ngang thay đổi biểu thị bởi các yếu tố sau:

+ Ảnh hưởng của hình dáng hai đầu đường cong

+ Ảnh hưởng của chiều dài đoạn song song giữa tàu và vị trí của nó đến sức cản

+ Ảnh hưởng của tọa độ dọc của tâm nổi Xc đến sức cản

- Ảnh hưởng của hình dáng đường nước tới sức cản

Để đảm bảo tàu có tính năng hang hải và ổn định tốt, các yếu tố đường nước tác động trực tiếp tới sức cản tàu

+ Ảnh hưởng của hình dáng mũi của đường nước

+ Ảnh hưởng của θ là góc giữa tiếp tuyến với đường nước ở mỗi mặt phẳng đối xứng

+ Ảnh hưởng của đường nước phía đuôi tàu

1.3 Lý thuyết gần đúng tính toán sức cản

Hình 1.3.1: Hệ tọa độ gắn liền với tàu Hình 1.3.1 biểu thị quá trình tàu chuyển động với vận tốc U(t) phụ thuộc thời gian t, hệ tọa độ Đề các X = (x,y,z) cố định gắn liền với tàu, dòng chất lỏng bao quanh tàu dịch chuyển với vận tốc U(t), quy ước chiều dương theo phương ox Gốc

hệ tọa độ được đặt tại bề mặt nước tĩnh và trùng với mặt phẳng cơ bản (z = 0) và tại

vị trí mặt phẳng dọc tâm tàu Sóng bao quanh truyền về phía tàu với một tần số tuyệt đối ω0và tạo ra một góc ß với trục ox (ß = 180 có nghĩa những sóng đầu) Với giả thiết dòng thế vận tốc, dòng chảy rối V (x,t) được định nghĩa như gradien

của vận tốc Φ (x,t), v = ∆Φ Vì tính liên tục, Φ là một đại lượng của phương trình

Laplace trong miền lỏng:

∆²Φ=0 (1.3.1) Trong quá trình chuyển động, tàu thực hiện chuyển động tương đối với hệ tọa

độ thông qua 6 bậc tự do theo thời gian Chuyển động của nó được viết như sau:

uurF D( , , , )ζ ζ ζur ur ur&& && &&t - Lưc thủy động học

Vị trí mặt tự do được xác định bởi độ cao sóng ζ( , , )x y t , điều kiện động học

quy định tất cả mọi hạt chất lỏng ở trên bề mặt phân cách giữa mặt nước và không

khí tại thời điểm t=0 ở trên đó mọi lúc Phương trình toán học:

Từ điều kiện động học, áp lực của chất lỏng tác dụng lên mặt phẳng tự do và

có giá trị bằng 0, từ phương trình Bernoulli ta có:

- vận tốc dao động vỏ tàu do sóng gây ra

- Điều kiện tuyến tính hóa mặt tự do

Giả thiết thân tàu có hình dạng thuôn, mảnh, vận tốc rối loạn dòng chất lỏng gây ra do tàu chuyển động và sự dao động của nó trên sóng là nhỏ so với tốc độ tịnh tiến của tàu U Tức là, dòng cơ bản ϕ0và dòng rối ϕD như sau:

- Điều kiện biên thân tàu

Khi tàu chuyển động thẳng đứng sẽ sinh sóng bao quanh thân tàu và được tính theo công thức sau:

6

1

j j j j

1 ( ; )

Với điều kiện x→∝

- Sức cản nước tác dụng lên bề mặt thân tàu

Sức cản ở phía trước và phía sau đuôi tàu: Do áp suất chất lỏng thường tác dụng lên vỏ ngoài tàu gọi là sức cản sóng, dòng thế vận tốc có thể được xác định từ phương trình Bernoulli, sức cản sóng sinh ra khi tàu chuyển động có thể được tính theo công thức:

Công thức (1.3.15) có thể đánh giá về số lượng lực cắt của sóng tác dụng hoặc

về thông số trường áp lực tổng cộng tác dụng lên bề mặt thân tàu

Bằng cách phân tích các sóng vuông góc với phương chuyển động của tàu

y

−∞ < < +∞các biến đổi giá trị của độ cao sóng ζ( , )x y được cho bởi công thức:

( , ) ( , ) ik y y y

Trong đó: ky và kx phụ thuộc vào g/U2

Khi đó sức cản sóng được viết lại như sau:

2

2 0

1 4 ( )

k

ρπ

Trong đó: γ- góc giao giữa mặt phẳng dọc tâm tàu với sóng sinh ra

1.4 Phương pháp xác định sức cản nhờ thử nghiệm mô hình tàu

Phương pháp xác định sức cản nhờ thử nghiệm mô hình tàu là cơ sở vững chắc cảu phương pháp xác định sức cản theo các công thức gần đúng và là cơ sở tính

toán và thiết kế tàu Vì vậy trước khi đi vào phương pháp mới tính toán và kiểm tra

và dự báo sức cản của tàu cần tìm hiểu bản chất của phương pháp xác định sức cản nhờ thực nghiệm mô hình để bài toán kiểm nghiệm, so sánh sức cản với phương

pháp CFD có cơ sở rõ rang hơn

Nguyên tắc xác định sức cản của tàu nhờ khảo sát mô hình là dựa vào lý thuyết đồng dạng cơ học, xuất phát từ chuyển động của tàu và của mô hình Để tàu và mô

hình đồng dạng với nhau theo phương pháp đồng dạng cơ học khi và chỉ khi chúng thỏa mãn các điều kiện sau:

- Đồng dạng hình học giữa tàu và mô hình

- Đồng dạng động học về dòng chảy của tàu và mô hình

- Đồng dạng các lực thủy động tác dụng lên tàu và mô hình

Các phương pháp đồng dạng nêu trên đã được đề cập rất nhiều trong các môn học về cơ học chất lỏng Trong luận văn tác giả quan tâm đến các chuyển kết quả thử mô hình sang tàu thực Nội dung cụ thể như sau:

Trong sức cản tàu có 2 nhóm lực đóng vai trò chính [1] là lực liên quan đến trọng trường và lực nhớt Hai nhóm lực này tuân thủ 2 định luật đồng dạng động học là định luật Froude và Reynolds Người ta chứng minh được rằng để thỏa mãn đồng thời hai định luật khác nhau, áp dụng cho hai nhóm lực khác nhau là điều kiện không thể thực hiện được khi thử mô hình Bởi vậy để xử lý kết quả thử mô hình cần sử dụng giả thiết về độc lập của các quá trình vật lý gây nên các lực liên quan đến trọng trường và lực nhớt còn gọi là đồng dạng từng phần Nghĩa là thiết lập kích thước mô hình chỉ thỏa mãn định luật đồng dạng động lực học Froude mà không thỏa mãn định luật đồng dạng động lực học Reynolds

Qúa trình tính chuyển kết quả từ thử mô hình sang tàu thực như sau [9] và [10]:

- Sau khi thiết lập mô hình theo tiêu chuẩn Froude, tiến hành thử nghiệm kết quả thu được bao gồm:

+ Đo được sức cản toàn bộ của mô hình (Rmh)

+ Đo được số Reynolds (Re) khi thử nghiệm kéo tấm phẳng tương đương

Hệ số sức cản ma sát của tàu mô hình (Cmsmh) được tính theo hệ số sức cản ma sát của tấm phẳng tương đương (Cmstptd)

x Tt Tt Tt

Chương II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ ỨNG DỤNG CỦA PHẦN MỀM

FLUENT 2.1 Khái niệm về phương pháp CFD

Computational fluid dynamics – Tính toán động lực học chất lỏng Giải pháp xấp xỉ bằng số các mô hình toán học của dòng chảy và truyền nhiệt Tính toán động lực học chất lỏng là một trong những công cụ (ngoài các phương pháp thực nghiệm

và lý thuyết) có sẵn để giải quyết vấn đề về chất lưu động Với sự ra đời của máy tính hiện đại, động lực học chất lỏng hiện đang được sử dụng trong nhiều lĩnh vực

đa dạng, bao gồm kỹ thuật, vật lý, hóa học, khí tượng học, và địa chất [13]

Tính toán động lực học chất lỏng (CFD) là một nhánh của cơ học chất lỏng có

sử dụng phương pháp số và các thuật toán để giải quyết và phân tích các vấn đề có liên quan đến dòng chảy chất lỏng Máy tính được sử dụng để thực hiện hàng triệu phép tính cần thiết để mô phỏng sự tương tác của chất lỏng và khí với bề mặt được xác định bởi các điều kiện biên Ngay cả với các siêu máy tính tốc độ cao chỉ giải gần đúng có thể đạt được kết quả tôt trong nhiều trường hợp

2.2 Ứng dụng của phương pháp CFD

Khả năng mô hình hóa vật lý của FLUENT được ứng dụng rộng khắp trong mọi lĩnh vực công nghiệp: từ dòng chảy không khí qua cánh máy bay đến sự bốc cháy trong lò, từ các cột bọt khí đến việc sản xuất thủy tinh, từ dòng chảy trong các nhà máy xử lý nước thải Phần mềm có khả năng mô hình hóa động cơ xilanh, đường đạn, máy và thiết bị turbin, và hệ thống đa pha

Ngày nay, hàng ngàn công ty trên thế giới được lợi từ việc sử dụng công cụ thiết kế và phân tích này Được mở rộng bởi khả năng tương tác đa môi trường khiến phần mềm trở thành công cụ phổ thông trong cộng đồng CFD, với sự nổi tiếng về sự thân thiện và mạnh mẽ Fluent tương đối dễ sử dụng đối với người mới bắt đầu

Đối với các kỹ sư cơ khí, kỹ sư thủy điện… nếu tiếp cận được các chương trình này sẽ mô phỏng được dòng chảy turbin, dòng chảy trong đường ống áp lực

Nó là cầu nối giữa thí nghiệm mô hình và lý thuyết thông qua máy tính điện tử, giúp

chúng ta hiểu rõ hơn quá trình vận động của dòng chảy và sự tương tác trong lý thuyết cơ học chất lỏng

Khả năng lưới, số hóa và xử lý song song

Fluent sử dụng công nghệ lưới phi cấu trúc, nghĩa là lưới có thể bao gồm các phần tử có hình dạng khác nhau, như lưới tứ giác và lưới tam giác cho các mô hình 2D và lưới lục diện, tứ diện, đa diện cho các mô hình 3D Mô phỏng số và bộ giải mạnh mẽ đảm bảo Fluent có kết quả chính xác

Ứng dụng để mô hình hóa dòng chảy rối phân tích trường áp suất, trường vận tốc sử dụng các pháp mô hình k-epsilon, k-omega, phương trình ứng suất

Reynolds…

Phân tích và tính toán quá trình truyền nhiệt

Phân tích mô hình hóa dòng khí động bao quanh mô hình máy bay ôtô

Phân tích thủy động học tàu thủy

Phân tích trường áp lực, vận tốc tác động lên hệ thống máy bay

Phân tích dao động âm

Ứng dụng trong y học để phân tích hệ thống lưu thông máu và hệ thống hô hấp Phân tích dao động học và truyền nhiệt qua turbin và cánh quạt

Mô hình truyền nhiệt và từ trường…

2.3 Giới thiệu về phần mềm Fluent

Fluent là một công ty được thành lập vào năm 1988, có trụ sở tại New

Hamsphire Mỹ Là một công ty chuyên nghiên cứu và phát triển phần mềm về lĩnh vực động lực học chất lỏng (ComputationalFluidDynamics, CFD) Tháng 8 năm

1995, Fluent đuợc sát nhập với Aavid Thermal Technologies, một tập đoàn chuyên

về thiết bị và công nghệ nhiệt cho các hệ thống điện tử Đây là một bước đột phá quan trọng cho cả hai công ty, sau đó cả hai công ty có những bước phát triển nhanh chóng đến kinh ngạc Sau đó vào tháng 5/1996, Fluent giành được công ty FDI (đã nói ở trên), đây là công ty sở hữu phần mềm FIDAP, cũng là một phần mềm mạnh

về CFD, đối thủ cạnh tranh lớn của Fluent Năm 1997, Fluent tiếp tục giành thêm được Polyflow S.A là công ty sở hữu phần mềm Polypflow, chuyên tính toán dòng

phẳng nhớt Năm 2000, tập đoàn Aavid được mua lại bởi Willis Stein & Partners – công ty đầu tư tài chính hàng đầu Hoa Kỳ Từ đó đến nay, Fluent tiếp tục phát triển

và duy trì vị trí hàng đầu về công nghệ phần mềm trên nền tảng CFD Khi mọi người nghĩ về CFD thì cái tên Fluent sẽ xuất hiện ngay trong ý nghĩ của họ Phần mềm này được viết bằng ngôn ngữ C, đã phát triển và tồn tại qua hơn 20 năm, và hiện nay vẫn là một trong số các phần mềm ưu việt trong việc giải quyết các vấn đề

về mô phỏng các dòng chất lỏng, trao đổi nhiệt… Ngày nay thì hàng nghìn công ty trong các lĩnh vực khác nhau về hàng không, vận tải , y học , đã sử dụng phần mềm này

2.3.1 Cấu trúc của bộ phần mềm Fluent

+ Fluent: Bộ tính toán chính, sử dụng lưới dạng thể tích

+ Gambit: Tạo lưới 2D và 3D

+ Tgrid: Tạo lưới 3D từ lưới 2D

+ PrePDF: Bộ tiền sử lý cho việc mô phỏng quá trình cháy không được pha trộn trước trong Fluent

+ Các bộ giao tiếp chương trình: cho phép nhập cái file dưới dạng CAD/CED hoặc của các gói phần mềm khác như Ansys, Cgns, Patrans

2.3.2 Khả năng của phần mềm

Fluent có khả năng giải quyết các bài toán sau:

- Dòng 2D, 3D đối xứng, tọa độ trục và dòng 3D

- Dòng tĩnh hay dòng tức thời (phụ thuộc vào thời gian hay không)

- Dòng nén được hay không nén đựơc ở mọi vận tốc (low subsonic, transonic, supersonic và hypersonic flows)

- Dòng nhớt, dòng tầng, dòng rối

- Chất lỏng Newton hay không Newton

- Trao đổi nhiệt,tán xạ, bức xạ

- Các đặc tính của phản ứng hỗn hợp hóa học, quá trình nổ, cháy…

- Dòng nhiều pha liên tục (lỏng - khí, lỏng - lỏng)

- Dòng gồm các pha liên tục trong một pha liên tục (lỏng - rắn )

- Nghiên cứu tính ổn định hoặc không ổn định của các khung,các bể

- Mô phỏng ảnh hưởng liên quan giữa roto-stator,sự biến đổi momen của các

cơ cấu máy móc với sự thay đổi của các điều kiện tác động như xoáy…

- Mô phỏng sự chuyển động và biến dạng cho các lưới động lực học

- Đo thể tích khối lượng xung lượng,nhiệt lượng và các thành phần hóa

học ,các đặc tính vật liệu

- Ngòai ra thì còn nhiều tính năng khác được giới thiệu trong các tài liệu riêng Nói chung Fluent là một chương trình lý tưởng phù hợp để mô phỏng các dòng nén được và không nén được trong các khối hình học phức tạp

2.3.3 Các bước giải một bài toán trên Fluent

Về cơ bản, các bước giải một bài toán trên Fluent tương tự các bước giải một bài toán trên CFD Tuy nhiên do không trực tiếp tạo lưới nên công việc rút gọn gồm thiết lập bài toán, giải và kiểm tra kết quả

a) ở đây bước 1 là tạo lưới từ Gambit hoặc từ các chương trình khác,cụ thể nó gồm các bước sau:

- Vẽ mô hình

- Tạo lưới cho đường

- Tạo lưới cho mặt

- Tạo lưới cho khối

- Đặt các thông số cho biên

b) Bước 2 là chọn mô hình bài toán 2D hoặc 3D

c) Nạp lưới vào Fluent:

File / Read and write / Case

Sau khi nạp xong, các thông số về lưới ( số phần tử từng loại) được thể hiện d) Kiểm tra lưới

Grid / Check

Kiểm tra lưới có phù hợp hay không

e) Điều chỉnh kích thước lưới

g) Đặt điều kiện biên

Define / Bounđary Conditions

h) Xác định điều kiện biên cho từng mặt

Define / Operating Condition

l) Quy định các thông số giải

Solve / Controls / Solution

Quy định về độ chính xác, bước nhảy…

m) Xác định giá trị đầu tiên của vòng lặp

Solve / Initialize